ТЕСТИРОВАНИЕ МЕТОДА БЕСКАМЕРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОЦЕНКИ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СХЕМЫ БЛОКА ПИТАНИЯ

Авторы: Бершадский И.А., Дубинский Ал.А.

Применение метода бескамерной тепловой оценки искробезопасности для схемы блока питания типа ИПИ-24-3 показало приемлемую точность результатов. Бескамерная оценка позволяет избежать необоснованных запасов при определении предельных параметров, вызванных особенностями проверок и испытаний во взрывных камерах.

Постановка проблемы.

Современные тенденции развития автоматизации технологических процессов на предприятиях, потенциально опасных по взрыву газов и пылей, в том числе на угольных шахтах, приводят к необходимости оснащения взрывозащищенного электрооборудования цифровыми устройствами управления и защит, позволяющими осуществлять как полный мониторинг всех функций, так и дистанционное управление и изменение параметров. Выходные цепи датчиков и задающих устройств, расположенных вне взрывобезопасной оболочки, целесообразно делать искробезопасными, что существенно уменьшает их габариты и позволяет применять серийные общепромышленные устройства.

Интеллектуальные датчики (температуры, давления, потока и др.), концентраторы и контроллеры верхнего уровня требуют достаточно мощных искробезопасных источников питания. Оптимальным уровнем напряжения для них является 12 В, в отдельных случаях (отдаленные или мощные потребители) – 24 В, а номинальный ток достигает 5А при напряжении 12 В и 3 А при напряжении 24 В. Для реализации таких параметров требуются принципиально новые подходы к построению искробезопасных источников питания.

Искробезопасные источники питания повышенной мощности, отключающиеся при коммутации цепи, используются также для питания электрогидропереключателей на всех автоматизированных проходческих и добычных комбайнах. В соответствии с «Программой повышения безопасности труда на угольных шахтах», утвержденной постановлением Кабинета Министров Украины от 06.07.2002 г. № 939, актуальным является обеспечение устойчивой и надежной работы систем искробезопасного электропитания.

Анализ исследований и публикаций.

В работе [1] приведено описание искробезопасного блока питания и защиты для цифровых систем управления и диспетчеризации. Исследование разрядов и процессов коммутации, а также аварийных режимов служит для оценки искробезопасности подключенных к нему цепей. Работы [2, 3] показывают возможность использования с этой целью предлагаемого метода бескамерной тепловой оценки опасности искрения в электрических цепях взрывозащищенного оборудования. Использование такого метода для расчета сложных схем разрабатываемых и эксплуатируемых искробезопасных источников питания ранее не проводилось.

Цель статьи – исследование переходных процессов при коммутации индутивной нагрузки искробезопасного блока питания ИПИ-24-3 и определение предельных параметров его работы на основе метода бескамерной тепловой оценки искробезопасности электрических цепей рудничного оборудования.

Результаты исследований.

Предлагаемый метод расчетной оценки искробезопасности электрических цепей рудничного электрооборудования повышает точность определения опасности искрения при размыкании контактов электричекой цепи сложной конфигурации в атмосфере взрывоопасной смеси за счет усовершенствования модели расчета параметров слаботочного разряда в электрических цепях взрывозащищенного электрооборудования. Кроме того метод обеспечивает уменьшение объема трудоемких испытаний при экспериментальной оценке искробезопасности, особенно на стадии проектирования и при поиске оптимальных схемных решений.

Структура математической модели (рис. 1), реализующей данный способ, содержит источник 1 электрической энергии с линейной, трапецеидальной или прямоугольной вольтамперной характеристикой на выходе, реактивную электрическую цепь 2 с произвольным соединением входящих в неё элементов, блок 3 дугового разряда, учитывающий динамическое изменение тепловой постоянной времени дугового разряда t и отводимой от разряда мощности Рд в зависимости от тока и напряжения коммутационного процесса, конвертор 4 из электрической модели в тепловую, блок 5 результатов расчета температурного фронта пламени, равного температуре горения метано-воздушной смеси 2000 К, накопители 6 и 7 информации, позво- ляющие применить графические средства для вывода результатов или сохранения и документирования отчетов. Для расчетов в блоках 3 и 4 используется база теплофизических свойств газовых смесей 8 в задан- ных условиях работы электрооборудования и база дизайна искрообразующего механизма 9, учитывающая скорость и характер расхождения контактов, размеры и материал контактов.

Программа, реализующая предлагаемый способ, функционирует следующим образом. В нормальном режиме работы под действием источника 1 в электрической цепи 2 рассчитывается установившийся режим,характеризуемый заданным током искрообразующего аппарата I(t) и напряжением рабочих элементов U(t). При коммутации одной из ветвей электрической цепи, в которой установлены блок 3 дугового размыкания с заданными параметрами, просчитывается выделение энергии разряда W(t) и времени его существования T, а также зависимость мгновенного изменения эффективной электрической мощности дуги Р(t) от времени t. Модель разряда представлена передаточной функцией в виде математической записи уравнения Майра, а тепловая постоянная времени дуги t корректируется обратной связью по току в блоке 3.

Полученные параметры разряда передаются в тепловую модель блока 4. В нем решается система дифференциальных уравнений в частных производных, определяющая развитие теплового взрыва (наличие или отсутствие температурного фронта пламени горения) с учетом явлений теплопроводности и диффузии при наличии экзотермической химической реакции окисления метановоздушной смеси. Скорость размыкания контактов цепи, начальная проводимость дуги, момент начала размыкания цепи определяются пользователем в диалоговом окне.

Техническое задание состояло в оценке искробезопасности электрической цепи с источниками повышенной нагрузочной способности, отключающимися при коммутации, и контролирующими превышение значения модуля скорости изменения тока нагрузки более 1 А/мс. Для анализа работы указанных источников необходимо определить энергию и время разряда в режиме отключения от него нагрузки, величину и форму сигналов, формирующихся при коммутации, на схемах сравнения, а также чувствительность и быстродействие ключей. Для цепи нагрузки с учетом наличия кабелей длиной до 1000 м необходимо найти предельные параметры подключаемой нагрузки. Опасность подключения нагрузки к источнику должна проверяться путем анализа опасности искрения емкостных элементов.

Исследования проведены на примере коммутации активно-индуктивной нагрузки, питающейся от блока питания искробезопасного типа ИПИ-24-3 (номинальное выходное напряжение 24 В, номинальный выходной ток 3 А) с маркировкой взрывозащиты Ив (по ГОСТ 12.2.020), выполненного по комбинированной схеме: с токовой отсечкой и отключением по производной тока нагрузки.

Искробезопасный блок питания состоит из двух функциональных узлов: преобразователя напряжения сети 127…220В в напряжение постоянного тока 12В или 24В и барьера искрозащиты (рис.2).

Барьер искрозащиты состоит из двух силовых ключей с независимым управлением, обеспечивающим дублирование, шунта для измерения тока нагрузки источника и схемы управления. Для обеспечении требуемого быстродействия при ограничении тока на заданном уровне используются две независимые схемы сравнения 3 и 4. Эти схемы переводят ключи в линейный режим работы и ограничение тока достигается за счет управления сопротивлением ключей. Схемы 3 и 4 формируют падающую токовую характеристику с уровнем отсечки по току 5,5А (для 12В) и 3,3А (для 24В). Быстродействие схем гарантирует ограничение тока в случае короткого замыкания за время 2-3 мкс.

Сигнал с шунта также подается на схемы дифференцирования и сравнения 1 и 2, реализующие компараторы. При превышении модуля скорости изменения тока нагрузки более 1А/мс они воздействуют на соответствующие силовые ключи и разрывают цепь питания нагрузки. Быстродействие схем не менее 5-7 мкс. Таким образом, при коммутации цепи нагрузки энергия источника питания почти полностью рассеивается на сопротивлении силовых ключей и не выделяется в электрическом разряде. После отключения тока нагрузки, схемы 1 и 2 обеспечивают паузу в 20-25 мкс до следующего включения силовых ключей.

Контроллер переводит барьер во включенное состояние и обеспечивает плавное включение ключей со скоростью изменения тока, меньшей, чем порог срабатывания схем сравнения 1 и 2, следит за тепловой нагрузкой ключей, не допуская их перегрева, а также контролирует напряжение на нагрузке. Контроллер имеет возможность приоритетного отключения силовых ключей, и возможность включать ключи, если нет запрета на это со стороны схем сравнения 1-4. Анализируя входные сигналы, контроллер вычисляет мощность тепловой нагрузки силовых ключей и при необходимости отключает их на время паузы.

Расчетная схема цепи барьера искрозащиты показана на рис.3. Цепи дублирования и сервисных функций микроконтроллера не показаны, поскольку в коммутации нагрузки они не участвуют. На схеме блок питания содержит основной V1 (24 В) и вспомогательные источники напряжения V2 и V3 (5 В) для питания цепей защиты. Транзисторный ключ Х3 на полевом MOSFET транзисторе IRL205_IR представлен корректной SPICE-моделью. Узел токовой защиты моделируется транзистором Q4, компараторы X1 и X2 обеспечивают быструю (в течении 4,7 мкс) подачу отключающего сигнала на ключ Х3.

Нагрузка индуктивностью LH и сопротивлением RH отключается в момент времени c_br. Модель раз- ряда в цепи состоит из ключа SW1, управляемого по времени, резистора RD, сопротивление которого отражает динамическую инерционную модель слаботочного разряда [2] и вспомогательной цепи (источник EI и индуктивность LI=1 Гн, рис. 3). Резистор R0 используется для контроля выходного тока источника, а резистор R2 служит для устранения коллизий в программе при подключении индуктивности к источнику напряжения.

После запуска расчета до момента времени c_br=2 мс сопротивление ключа SW1 задано равным 10-4 Ом – он замкнут. Через нагрузку протекает ток 2,93 А. Начиная с 2 мс сопротивление ключа увеличивается до 107 Ом за время 4 нс – контакты размыкаются и остаются в таком состоянии до конца моделирования, при этом в цепь нагрузки вводится сопротивление дугового разряда RD.

Из рис. 4а видно, что ток нагрузки I(R0) за время расчета проходит фазу колебаний (рис. 4б), амплитуда которых постепенно затухает до тока обрыва разряда, принятого равным Iоб = 20 мА [4].

В то же время напряжение на разрядном промежутке V(n) достигает величины катодного падения Uk=8 B с запаздыванием 46 мкс, что прослеживается на рис.4б, изображающим переходный процесс в период времени – 2 мс…2,4 мс. Таким образом, начало отдачи энергии в разряд совпадает с переходом мощности через ноль (см. рис. 5а, 5б). Окончание отдачи энергии в разряд определяется по графику затухания тока после достижения им Iоб = 20 мА (рис. 4б).

Следствием колебаний тока могут стать срывы разряда при испытаниях на искробезопасность во взрывных камерах блока питания и эпизодические взрывы (с вероятностью <10-3). В некоторых случаях это влияет на излишние запасы по току испытываемой цепи.

Приведенные положения показывают целесообразность предварительных испытаний схем искробезопасных источников питания с помощью компьютерной модели метода бескамерной тепловой оценки и определения параметров разряда и их вероятной опасности воспламенения.

Результаты тестирования сведены в табл. 1 и 2. Согласно ГОСТ необходимо испытывать искробезопасные цепи с применением коэффициента искробезопасности, чтобы гарантировать испытание или оценку для цепи, которая с большей вероятностью вызовет воспламенение, чем первичная цель, или что первичная цепь испыты вается в более легковоспламеняющейся взрывоопасной смеси. При увеличении напряжения сети до 110 % (с учетом колебания сети) от номинального значения или установкой напряжения батарей источников питания и устройств, ограничивающих напряжение, на максимальном уровне, коэффициент искробезопасности должен быть обеспечен одним из следующих способов.

-для индуктивных и омических цепей уменьшают сопротивление ограничительного резистора для увеличения тока испытуемой цепи в число раз, кратное коэффициенту искробезопасности. Если коэффициент искробезопасности не может быть достигнут таким способом, то увеличивают напряжение;

-для емкостных цепей напряжение испытуемой цепи увеличивают в число раз, кратное коэффициенту искробезопасности.

При заданном коэффициенте искробезопасности, например 1,5, для таких цепей вначале в 1,5 раза увеличивают действующий в цепи ток. Определяют индуктивность, при которой установленный в цепи ток становится минимальным воспламеняющим (вызывает воспламенение взрывоопасной смеси с вероятностью 10-3). Затем в 1,5 раза увеличивают действующее в цепи напряжение, а ток в цепи устанавливают равным искробезопасному значению для найденной индуктивности и увеличенного напряжения. После этого проводят испытание цепи на искробезопасность.

При тестировании цепи, работающей в газовой смеси группы I (метан) с током I(R0) = 2,93 А получим безопасные параметры: индуктивность LН=160 мкГн, энергия разряда W = 614,6 мкДж, опасная скорость размыкания v=6,5 м/с. C учетом коэффициента искробезопасности по току Ki = 1,5 получили ток I(R0) = 4,95 А и напряжение источника U0 = 26,4 В.

Опасность подключения емкостной нагрузки трестировалась согласно расчетной модели рис. 6. Ключ SW1 в исходном состоянии разомкнут, что обеспечивает заряд конденсатора С1 до напряжения источника питания V1. Переходный процесс запускается в момент замыкания ключа (100 мкс на рис. 6). Дополнительная цепочка VD, Rd, Dd задает предварительный ток через разряд и моделирует возникновение в нем авто- электронной эмиссии. Начальное напряжение на разряде падает от значения V1 до установившегося напряжения p U = 10 В по экспоненте с постоянной времени 10-9 с. Модель RR задает изменение во времени сопротивления разрядного промежутка, которое, в свою очередь, зависит от параметров разрядного контура. Начальное расстояние между электродами принимаем равным lnac = 0,027 мм согласно данным табл.1, изменение длины разряда вычисляется переменной ld.

Безопасные параметры в результате тестирования составляют: LН=55 мкГн, T =17,3 мкс, W= 0,646 мкДж, опасная скорость размыкания v=6,5 м/с, безопасная емкость при подключении нагрузки LH и RH составляет 9 мкФ.

Для блоков питания данного типа проводились контрольные испытания в государственном сертификационном центре взрывозащищенного и рудничного электрооборудования (г. Донецк) (вывод экспертизы №1843-2010). Допустимые параметры искробезопасных цепей для источника ИПИ-24-3 составили:

-индуктивность L0, мГн не более 0,05;

-емкость С0, мкФ не более 10.

Таблица 1 - Газовая смесь – метан (I), ток нагрузки – 2,93 А

Таблица 2 - Коэффициент запаса по току 1,5.I0 = 3,3*1,5 = 4,95 A, U0 = 25 B*1,1 = 26,4 B

Выводы:

На стадии проектирования и разработки целесообразно применять метод бескамерной тепловой оценки искробезопасности существующих схем взрывозащищенного электрооборудования и нового оборудования с требуемыми искробезопасными параметрами. Применение такого метода актуально при сравнительном сопоставлении различных способов обеспечения искробезопасности, в частности, измерительных органов узлов отключения при коммутации.

Бескамерная оценка также позволяет избежать необоснованных запасов при определении предельных параметров, вызванных особенностями проверок и испытаний во взрывных камерах.

Список литературы

1. Лоцманов М.С. Искробезопасные блоки питания и защиты для цифровых систем управления и диспетчеризации / М.С Лоцманов, А.А. Дубинский, В.Д. Власов // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: УкрНИИВЭ, 2007. С. 118-123.

2. Ковалев А.П. Моделирование параметров разряда и расчетная оценка искробезопасности при размыкании электрической цепи / А.П. Ковалев, И.А. Бершадский, З.М. Иохельсон // Электричество. – 2009. - №11. – С. 62-69.

3. Бершадский И.А. Симуляция переходных процессов в искробезопасных цепях горношахтного электрического оборудованиz и прогнозирование опасности воспламенения газовой смеси / И.А. Бершадский, Д.В. Северин // Вісті Донецького гірничого інституту.- Донецьк: ДонНТУ, 2008. - №2. - С. 178-183.

4. ГОСТ P 51330.10 – 99 (МЭК 60079 – 11 – 99). Электрооборудование взрывозащищенное, ч.11 – Ис- кробезопасная электрическая цепь. Госстандарт России от 09.12.1999 г. – М.: Изд-во стандартов, 1999.